JPH0459992B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は片面溶接における制御方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

第４図は従来の溶接装置を示す構成図である。
被溶接母材１に対し、その開先２に沿つて移動可
能な溶接台車３には、溶接電極５が高さ方向（Ｙ
軸）と開先幅方向（Ｘ軸）との両移動機構４Ｙ，
４Ｘを介して支持されている。該溶接電極５は、
開先内で幅方向にオシレートしつつ、開先線方向
へ移動し、同時にアーク長を一定ならしめるよう
にＹ軸方向の移動が制御され、その変位はポテン
シヨメータ等の変位計６Ｙで検出される。また上
記電極５の開先方向の揺動におけるＸ軸方向の変
位も、ポテンシヨメータ等の変位計６Ｘで検出す
るようにしてある。消耗電極又は非消耗電極の電
極５と母材１との間には溶接電源７が接続され、
溶接用途によつて定電流電源又は定電圧電源と使
い分けられている。なお８はアーク電圧検出器、
９はアーク電流検出器で、制御の必要に応じて設
けられるものである。

制御方式の基本となるのは、電極５を開先２内
で幅方向（Ｘ軸）に往復揺動させ、同時に常にア
ーク長が一定となるように高さ方向（Ｙ軸）に電
極５を移動させつつ行う定アーク長制御揺動溶接
であり、上記Ｘ軸方向への電極５の揺動は、Ｘ軸
モータ１０Ｘで駆動される移動機構４Ｘにより行
われ、またＹ軸方向の移動制御は、Ｙ軸モータ１
０Ｙで駆動される移動機構４Ｙによつて行われ
る。図の例では、電極５をＸ軸方向に移動可能に
支持する移動機構４Ｘは、Ｙ軸方向にも移動可能
なように移動機構４Ｙにより支持され、さらに移
動機構４Ｙは、台車３に支持されている。

第５図はＹ軸モータ１０Ｙによる定アーク長制
御の基本回路構成図である。電源７が定電流電源
の場合はアーク電圧検出器８からのアーク電圧
を、また電源７が定電圧電源の場合にはアーク電
流検出器９からのアーク電流を、差動増幅器１１
に入力せしめ、予め設定器１２に設定した基準値
との差を該増幅器１１から出力させて、この差出
力に応じた速度でＹ軸モータ１０Ｙを駆動する駆
動制御器１３を備えている。この回路によつてア
ーク電圧（又はアーク電流）が一定に保たれ、ア
ーク長が一定となるのであり、電極５はＸ軸方向
へ移動するときは、電極先端は開先壁に沿って移
動するのである。

電極１５のＸ軸方向への移動は、第６図に示す
駆動制御回路によつて制御される。すなわち図に
おいてＸ軸モータ１０Ｙは設定器１４で予め設定
された速度で定速回転するように制御器１５を介
して制御され、さらに制御器１５が切換パルス発
生器１６から信号を受けるたびに、Ｘ軸モータ１
０Ｘの回転信号が逆転するように構成されてい
る。変位計６Ｙによつて検出した電極５のＹ軸方
向の変位量（ey）は、予め設定されて記憶器１
７に記憶されている端部位置設定値（eo）とコ
ンパレータ１８によつて比較され、（ey）が
（eo）に等しくなるたびにコンパレータ１８から
出力される信号によつて上記切換パルス発生器１
６が制御器１５へ逆転指令信号を発するものであ
る。

第７図は上記制御の許にある電極５の動きと溶
着金属との関係を示す説明図である。第７図ａは
第４図の装置による電極５の移動状態を示し、第
７図ｂに形成される溶着金属と電極先端との位置
関係を示している。図において、５ａは電極先端
の軌跡を示し、１ａは母材表面、２ａは開先底
面、３は裏当材、そして３０は溶着金属である。

次に動作を説明する。

第７図ａにおいて、まず電極５を開先の端部イ
に設定し、このときのＹ軸変位を、eoとして記
憶させておく。アークを発生させて、Ｘ軸方向の
移動を開始すると、上述の定アーク長制御によ
り、電極先端は図のイ→ロ→ハのようにほぼ開先
壁面に沿って移動し、電極先端の軌跡５ａが得ら
れる。ハに達すると変位計６Ｙの出力eyが再び
eoとなり、第３図の制御回路動作によりＸ軸の
移動方向が逆転して以後この動作をくり返す。

ここで、揺動の一方の端部イ，ハから他方の端
部ハ，イまでの期間を揺動の１サイクルとする。
この制御法によれば、開先形状がどのように変化
しても、また開先中心が溶接台車の進行方向とず
れることがあつても、電極の先端は母材表面ある
いは開先底面から距離を保つたまま常に開先幅内
で反転揺動をくり返すことになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで溶接の無人化をはかるためには、溶接
中に時々刻々と変化する開先線の２次元的な変化
に対し、溶接トーチ位置を自動的に検知して位置
修正する必要があり、そのためには検知センサお
よびセンサの情報に応じて作動する溶接トーチ位
置調整機構が必要である。

従来、このための検知センサとしては、接触セ
ンサや電磁気光電方式の非接触式センサなどがあ
り、実用化されている。

さらに溶接継手においては、開先幅、角度、な
どの形状変動があるため、これらの変動を検出し
て溶接条件を自動制御する必要がある。しかしこ
のための有益な検知センサは皆無といつてもよ
く、わずかにITVを用いてアーク前方の開先を
撮像して開先幅を検出する方式が検討されている
程度である。

しかしながら上記センサのうち、前者の開先線
の２次元的変化を検知するものについては、溶接
トーチと別にその近傍に設けられるものであり、
検知位置とトーチの位置との間には一定の間隔が
必要なため、正確な検出が困難であり、又、対象
物の寸法が制限されるなどの実用上の制約が多
い。又後者のITV方式も開先表面の幅は検出で
きても、真の開先断面は不明であり、検出位置と
アーク位置とのずれがあることから、検出精度に
限界があり、さらに前述のように適用対象物に寸
法制約があるなどの欠点があるため、実用化され
るには到っていない。

このような状況にかんがみ、発明者らは開先内
で揺動する溶接アーク自体をセンサとして利用
し、トーチと別個に専用センサを用いることな
く、溶接電極の位置を性格に開先内でならわせる
方法を、特公昭57−3462号公報で提案した。この
方法は、溶接トーチを開先線にならわせるだけで
なく、その時のトーチがえがく変位波計がアーク
直下での開先断面の情報をもたらすものとして有
用なものなのである。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたもの
で、開先位置や開先断面形状等の検出を別体とし
てのセンサを用いることなく、溶接アーク自身の
特性を利用することにより溶接アークをセンサと
し、溶接トーチを開先線に正確にならわせると同
時に、開先形状をも検知して溶接条件を自動制御
し、開先状態の変動があっても常に良好な裏ビー
ド形状を保ち、かつ表ビードの高さが一定な溶接
ビードが形成される片面溶接制御方法を提供しよ
うとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は溶接電源として直流もしくは交流の定
電流特性又は直流の定電圧特性の電源が用いら
れ、あらかじめ設定された一定のアーク電圧また
は溶接電流を保持するように、溶接電極の軸線方
向（以下Ｙ軸と称する）移動機構によつて電極の
先端部と母材表面との間隔距離を変化させ、これ
によりアーク長を常に一定とする制御動作を行わ
せつつ、上記電極を開先の幅方向（以下Ｘ軸）に
移動させ、上記間隔距離が予め設定された値に達
したことを条件として上記Ｘ軸移動の方向を逆転
させ、以下この動作をくり返すことにより、電極
端のアークを開先内の幅方向に往復揺動させつ
つ、正確な開先ならいを行わせ、かつ母材表面も
しくは開先底部から上記往復揺動の両端部までの
高さ距離を常に一定に保持するアーク溶接装置に
おいて、演算装置を備え、上記揺動の一方の端部
からもう一方の端部までの期間を１サイクルと
し、この１サイクル期間もしくはその整数倍サイ
クルの期間で、揺動のＸ軸方向の幅すなわち揺動
幅に関する情報を検出して、上記演算装置に記憶
させ、予め定めたワイヤ送給速度V_fp、所望する
表ビード高さh_F、実験により求まる裏ビード高さ
h_B等を上記演算装置に入力して溶接速度Ｖを演算
し、移動の次の１サイクル又はその整数倍のサイ
クルの期間該溶接速度で溶接を行い、以下この制
御動作を繰り返す。

〔作用〕

上記溶接速度制御方式による溶接の結果、良好
な裏ビード形状と、一定の高さを有する表ビード
とを同時に備えた溶接ビードが得られるのであ
る。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示す溶接装置の構
成図で、２０は演算装置、２１はモータである。
図に示すように変位計６Ｘにより電極５の１サイ
クルの移動幅W_wを検出し、該検出値を、演算装
置２０内に入力して、予め該演算装置２０内に入
力している表ビード高さh_F、裏ビード高さh_B、裏
ビードの溶込み幅△Ｂ、ワイヤ送給速度V_f、開
先角度θ及び揺動端部における電極先端と開先壁
面とのＸ軸方向の距離△Ｗとともに、後述する算
式により溶接速度Ｖを演算し、この溶接速度Ｖを
モータ２１に入力せしめて次サイクルの溶接速度
として溶接を行い以下この操作を繰り返すのであ
る。なお上記諸元中h_Bは実験により求めうる値で
あり、h_Fは予め所望する値をとればよく、他は溶
接条件により定まる値である。

以下上記諸元より溶接速度Ｖを求める算式につ
いて述べる。第７図の溶接説明図に示すように、
揺動の１サイクルにおいて、Ｘ軸変位計より検出
できる揺動幅（W_w）は、揺動反転位置（eo点）
における開先幅（Ｂ）と次式に関係にある。

Ｂ＝W_w＋2ΔW ……(1) (1)式において、ΔWは、揺動端部での電極先端
と開先壁面との距離であり、基本的には設定すべ
きアーク長にて定まる定数で、溶接電流とアーク
電圧の設定値が一定であれば開先幅が変動しても
一定で、これは実験でも確認されている。

一方、裏当材を用いた片面溶接における裏ビー
ド形状は一定の溶接条件で溶接した場合、開先底
面における被溶接物間の間隔距離（ルートギヤツ
プ）が変化してもアーク直下に溶融金属が存在し
ていれば、裏ビード高さ（h_B）はほとんど一定で
裏ビード幅（W_w）はルートギヤツプに対応して
変化する。これは実験により確認されており、第
８図は溶接電流Ｉ＝260A、溶接速度Ｖ＝16cm／
分、ワイヤ電極径ｄ＝1.2mmのMAG溶接による実
験結果の一例を示すものである。本図によりルー
トギヤツプ９mmまではアーク直下に溶融金属が存
在しており、裏ビード高さh_Bはほぼ一定値である
ことがわかる。また裏ビード幅W_Bはルートギヤ
ツプの変化に対して直接的に変化する。ところが
ルートギヤツプが９mmを越えるとアーク直下に溶
融金属が存在しなくなり、裏ビード形状が大きく
変化し、そのまま溶接を続けようとすると遂には
アークが消弧し溶接不可能な状態となる。アーク
直下に溶融金属が存在し、安定な溶接が行われる
ときの裏ビードの断面積A_Bは近似的に次式で与
えられることができる。

A_B＝π／４h_B・W_B さらに、裏ビード幅W_BはルートギヤツプＧと
溶込幅ΔBの和であるから、 A_B＝π／４h_B（Ｇ＋2ΔB） ……(3) ここでΔBは実験により求まる定数である。故
に溶着金属３０の断面積Ａはビード表面と上記揺
動反転位置の距離をΔh、表ビード高さをh_F、開
先角度をθとすれば、 Ａ＝｛（W_w＋2Δ_w）−2Δhtanθ−h_Ftanθ｝ h_F＋π／４h_B｛（W_w＋2Δ_w）−２（Δh＋h_F） tanθ＋2ΔB｝ ……(4) (4)式は、開先の深さ（あるいは板厚）と開先角
度θが一定で、アーク直下に溶融金属が存在する
安定な溶接条件であれば、開先幅の変動下におい
ても常に良好な裏ビード形状と一定な表ビード高
さを与える溶着金属の断面積Ａが、上記検出され
た揺動幅W_wの値にもとづいて計算により求まる
ことを示している。

一方、ワイヤ送給速度をV_f、溶接速度をＶ、
形成される溶着金属の断面積Ａとするとこれらの
間には次の関係がある。

V_f＝k₁Ａ・Ｖ Ｖ＝k₂V_f／Ａ ……(5) ただしk₁，k₂は定数 即ち上記(5)式に上記諸元を入れれば溶接速度Ｖ
を求めうる。

次に、溶接速度の算出のさらに簡便な実施例を
説明する。一般に第７図ａ，ｂのような開先に限
らず、溶接速度、溶接電流、ワイヤ送給速度など
の溶接条件は、その開先形状に応じて予め初期値
として設定し、以後開先幅の変動状態をみながら
上記溶接条件を変更して行く。この方法に従つ
て、初期値としてのワイヤ送給速度をV_fp、溶接
速度をV_pとし、この条件で溶接を開始して、１
サイクルの揺動を行うと、その時得られる溶着金
属の断面積A_pは、 A_p＝k₂V_fp／V_p ……(6) となる。なお、初期揺動幅W_wpとする。次の揺動
１サイクルで開先幅が変動し、たとえば増加して
揺動幅がW_wになつたとする。この場合良好な裏
ビードり形状と一定の表ビード高さh_Fを確保する
ためには、溶着断面積をΔA＝Ａ−A_pだけ増加さ
せてやらなければならない。すなわち前述の(4)式
において、W_wを除く他の全てのパラメータは定
数であるから、 ΔA＝Ａ−A_p（W_w−W_wp）（h_F＋π／４h_B） ……(7) ここでパラメータｈを次式で与える。

ｈ＝h_F＋π／４h_B ……(8) 故に、良好な裏ビード形状と一定の表ビード高
さh_Fを確保するための溶接速度Ｖは(5)〜(8)式よの
次式で与えられる。

Ｖ＝V_fp／Ａ＝V_fp／A_p＋ΔA＝V_fp／V_fp／V_p＋（W_w−W_wp
）ｈ
……(9) (9)式を用いれば、開先幅の変動する開先におい
て、所望する表ビード高さh_Fと裏ビード高さh_Bを
与えれば、溶接前に定めた初期溶接速度V_pとワ
イヤ送給速度V_fpと、各サイクル毎の揺動幅の検
出値の変化分、すなわちW_w−W_wpから、次の揺
動サイクルでの適正溶接速度Ｖが計算で求めるこ
とができる。

第２図は上記式にもとづきマイクロコンピユー
タで溶接速度制御を行つた場合の制御動作の流れ
図を示すものである。（ステツプ１）で、先ず所
望する表ビード高さh_Fと裏ビード高さh_Bから定ま
る定数ｈ、溶接速度の初期値V_p、ワイヤ送給速
度の設定値V_fpをインプツトして記憶させる。（ス
テツプ２）で先ずA_p＝V_fp／V_pの計算を行いこれ
を記憶しておく。（ステツプ３）で溶接を開始す
る。このときの揺動制御は、前期の第４〜６図の
機構および制御回路にもとづく。（ステツプ４）
で１サイクルの揺動が終了したら、（ステツプ５）
でそのときの揺動幅W_wpを検出して記憶する。同
様に次の揺動サイクルに入り、（ステツプ６）を
経て（ステツプ７）でW_wを検出する。これまで
の溶接速度V_pである。（ステツプ８）で（W_w−
W_wp）ｈを計算し、（ステツプ９）で、前期Ｖに
関する(6)式にもとづいて溶接速度Ｖを計算する。
（ステツプ10）で始めて適正溶接速度Ｖを実行し
て次の揺動サイクルに入る。以後（ステツプ７）
→（ステツプ10）の操作をくり返した後、（ステ
ツプ11）で溶接を終了する。

第３図は本発明に係る制御方法を実施した結果
を示す線図である。ルートギヤツプＧの変化に対
して、溶接速度Ｖが制御されておりその結果、常
にアーク直下に溶融金属が存在する状態を維持す
ることができ、安定な溶接が行われ、裏ビードの
高さh_Bが一定でルートギヤツプＧの大きさに対応
した裏ビード幅W_Bの良好な裏ビード形状と表ビ
ード高さh_Fが一定の溶接ビードが形成されている
ことが判る。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明の制御方法によれ
ば、開先線のずれや開先幅の変動を別体としての
センサーを用いることなく、溶接アーク自身の特
性を利用することにより検出し、それに応じて溶
接速度を制御することによつて溶接トーチを開先
線に正確にならわせると同時に、開先幅の変動に
対しても安定な片面溶接が可能となり片面溶接に
おいても常に良好な裏ビード形状を保つととも
に、表ビードの高さの均一な溶接ビードの形成を
可能ならしめるという優れた効果をあげることと
なつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す溶接装置の構
成図、第２図は他の実施例の流れ図、第３図は本
発明の効果を示す線図、第４図は従来の溶接装置
の構成図、第５図は定アーク長制御の構成図、第
６図は溶接装置のＸ軸モータの駆動制御回路の構
成図、第７図は溶接の説明図、第８図は従来の溶
接状況を示す線図である。 図中１は溶接母材、２は開先、３は溶接台車、
４Ｘは電極のＸ軸方向移動機構、４Ｙは同Ｙ軸方
向移動機構、５は溶接電極、６Ｘ，６Ｙは変位
計、７は電源、２０は演算装置、２１はモータで
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接電極を開先内で幅方向に往復揺動させな
   がら行うアーク溶接方法であつて、あらかじめ設
   定された溶接電流又はアーク電圧を保持するよう
   に、溶接電極の軸線方向即ちＹ軸方向移動機構に
   よつて電極の先端部と母材表面との間隔距離を変
   化させ、これによりアーク長を常に一定とする制
   御動作を行わせつつ、上記電極を開先の幅方向即
   ちＸ軸方向に移動させ、上記間隔距離があらかじ
   め設定された値に達したことを条件としてＸ軸移
   動の方向を逆転させ、以下この動作をくり返すこ
   とにより電極先端のアークを開先内の幅方向に往
   復揺動させつつ正確な開先ならいを行わせ、か
   つ、母材表面又は開先底部から上記往復揺動の両
   端部までの高さ距離を常に一定に保持するアーク
   溶接方法による片面溶接において、 演算装置を備え、上記移動の一方の端部から他
   方の端部までの機関を１サイクルとし、各サイク
   ルの期間の揺動のＸ軸方向の幅W_wを検出し、該
   幅W_wに関する情報とともに、所望表ビード高さ
   h_F、裏ビード高さh_B、裏ビードの溶込み幅△Ｂ、
   ワイヤ送給速度V_f、開先角度θ及び揺動端部で
   の電極先端と開先壁面とのＸ軸方向の距離△Ｗを
   上記演算装置に入力して、溶接速度Ｖを演算し、
   該溶接速度Ｖにより次の揺動１サイクルの溶接を
   行うように構成したことを特徴とする片面溶接の
   制御方法。 ２ 上記幅W_wに関する情報は、１サイクルの幅
   W_wである事を特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の片面溶接の制御方法。 ３ 上記幅W_wに関する情報が、連続するサイク
   ルの幅W_wの差であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の片面溶接の制御方法。